[发明专利]制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池的卷对卷生产方法

说明书

技术领域

本专利发明涉及制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池的卷对卷生产方法，此生产方法包含由空白柔性基板到完成的铜铟镓硒太阳能电池的制备方法以及一系列有关的卷对卷设备。

背景技术

在全球暖化及化石燃料枯竭的背景之下，作为一种可再生能源资源的光伏技术已经受到了不断增长的关注。 诸如单晶硅或多晶硅太阳能电池的第一代光伏器件已被商业化开发了半个多世纪，目前晶硅太阳能电池占据了90% 的光伏国际市场需求。然而作为其潜在竞争者, 薄膜太阳能电池基于其低成本, 可弯曲性及有利的超能量平衡已经发展到了工业化生产的规模。薄膜太阳能电池主要类型包括非晶硅、铜铟镓硒和碲化镉。在此薄膜电池的家族中, 铜铟镓硒 (CIGS) 太阳能电池具有高达 20.3% 的最高光电转换率。 在元素周期表中, CIGS吸收膜的元素位于IB-IIIA-VIA族。此吸收层材料属于多成份P型直接带隙半导体, 其不同成份的分布及化学计量可能就决定了材料的质量。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池包含一个吸收/缓冲薄膜层的堆集以产生一个有效的光伏异质结, 一个由一高阻抗层(该层有一个透射太阳光到吸收/缓冲界面的禁带)和一旨在于减小阻抗损失及提供电接触的低阻抗层所构成的透明导电金属氧化物窗口则被沉积到此吸收/缓冲堆集的表面。这种设计显著减少了电荷载流子在窗口层以及/或者在窗口/缓冲界面的重新组合, 因为大多数电荷载流子的产生与分离是坐落在吸收层内部的。一般说来, CIGS太阳能电池是一个位于元素周期表IB-IIIA-VIA组别的化合物半导体的典型, 而这些化合物半导体由位于IB组 (铜、银和金)、IIIA组 (硼、铝、镓、铟和铊) 和VIA组 (氧、硫、硒、碲和钋) 的元素所构成。尤其是, 包含铜 (Cu)、铟 (In)、镓 (Ga)、硒 (Se) 和硫 (S) 的化合物一般被写为CIGS(S), 或 Cu(In,Ga)(S,Se)₂ 或 CuIn_1- xGax (S_ySe_1-y)_n , 这里 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤1 且 n 大约为2, 并且已经被应用于可产生超过20%光电转换率的太阳能电池的结构中。应注意的是, 尽管CIGS(S) 的化学式常常被写为Cu(In,Ga)(S,Se)₂, 一个更加精确的此化合物的化学式应为 Cu(In,Ga)(S,Se)_n, 此处 n 典型地是接近2 但也许并非精确为2。进一步要指出的是, 在化学式上 “Cu(X,Y)” 的符号意味着X和Y从 (X = 0% 和 Y = 100%) 到 (X = 100% 和 Y = 0%) 区间的所有化学组成。例如, Cu(In,Ga) 意指从 CuIn 到 CuGa 的所有组成。类似地, Cu(In,Ga)(S,Se)₂ 意指具有Ga/(Ga+In) 和Se/(Se+S) 的摩尔比从0到1的整个化合物家族。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其组件的制备必须通过一系列复杂的工序。例如, 在一个卷对卷的工序中, 一卷柔性基板必须经历多次镀膜和反应过程, 依序如表面清洁、底电极镀膜、CIGS吸收层的镀膜和反应、硫化镉 (CdS) 缓冲层的制备、透明导电氧化物 (TCO) 窗口层的镀膜、以及金属珊线的制备, 直到成为太阳能电池。而在这些步骤之后, 一卷完成的太阳能电池卷必须被切割成单片的太阳能电池, 它们将被测量并按不同转换率及其它参数分类。此生产线由一系列卷对卷设备组成以完成薄膜太阳能电池的制备, 这些设备可能包括一台清洗机、一台制备底电极的镀膜机、一台沉积CIGS吸收层的设备、一台给CIGS材料淬火的热反应器、一台制备CdS 缓冲层的镀膜设备、一台制备TCO窗口层的镀膜机、一台制备金属珊线的设备、和一套将完成的卷切割成电池片并测量分类的系统，这些设备可组成一条连续的生产线或独立使用。

不同的镀膜技术可被用于制造CIGS太阳能电池。一种典型的系统是基于真空镀膜, 例如溅射与蒸发。除真空方式外, 一些湿法镀膜及相关设备也能被用于一些关键镀层的沉积, 例如印刷或电镀的方法可被用于沉积CIGS层, 而化学浴沉积法可被用于制备CdS 层。